DE8202802U1

DE8202802U1 - Auslassventil fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE8202802U1
Application number: DE19828202802
Authority: DE
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1982-02-03
Filing date: 1982-02-03
Publication date: 1983-03-03

Description

PB 3145/1555 - 1 Auslaßventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Auslaßventil für Brennkraftmaschinen mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solches Ventil ist aus der US-PS 3 426 741 bekannt. Der Hitzeschild wird bei diesem bekannten Ventil durch einen oder mehrere Ringe aus keramischem Material gebildet, die relativ kompliziert gestaltete, schmale und tief in das Material des Ventiltellers eingearbeitete Ringnuten nach außen hin abschließen und so den Eintritt von Verbrennungsgasen in diese derart verschlossenen, innerhalb des Ventiltellers liegenden, mit Luft oder Asbest gefüllten Isolationsräume verhindern sollen. Die in dieser US-PS offenbarten Ventilkonstruktionen sind jedoch einerseits technisch kaum realisierbar und wären andererseits im Betrieb wohl nur sehr kurzlebig; letzteres deshalb, weil der Ventilteller durch die radialen Einschnitte instabil wird, denn durch die stoßweise Beanspruchung während des Motorbetriebes treten Schwingungen im Ventiltellerbereich auf, durch die sich die Keramikringe in den Nuten lösen und brechen sowie dann zu weitaus schwerwiegenderen Beschädigungen des Motors führen können. Darüber hinaus ist bei dieser bekannten Ventilkonstrvktion keine gute Wärmedämmung erzielbar, denn der Wärmeeinfall in den Ventil-

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teller wird nur partiell und auch nur dort begrenzt, wo nicht mit höchsten Tempsraturwerten zu rechnen ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem Auslaßventil der eingangs genannten Art einen gut wärmedämmenden Hitzeschild vorzusehen, der einfach und billig herzustellen, mit geringem Aufwand am Ventil anbringbar sowie dort sicher gehalten und außerdem unempfindlich gegen mechanische und thermische Beanspruchungen ist, die während des Motorbetriebes auf das Auslaßventil einwirken.

Diese Aufgabe ist bei einem Auslaßventil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine Anordnung und Ausbildung des Hitzeschildes entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Hitzeschild erfüllt aufgrund seiner Ausgestaltung und unkomplizierten Anbringung am Ventilteller die aufgabengemäß gestellten Anforderungen. Durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Oxidkeramikplatte bedingt wird in das Auslaßventil eintretende Wärmemenge reduziert und so das Temperaturniveau des Ventiltellers abgesenkt. Die Oxidkeramikplatte wird erfindungsgemäß am thermisch am höchsten beanspruchten Ort des Ventiles, nämlich an der Stirnseite des Ventiltellers angebaut und bewirkt somit aufgrund dieser Anordnung die größte Wärmedämmung. Durch die erfindungsgemäße Plazierung der Oxidkeramikplatte an der Stirnseite des Ventiltellers wird auch die Heißkorrosionsbeständigkeit des Ventiles heraufgesetzt, denn das Keramikmaterial ist zumindest hinsichtlich der Heißkorrosionsbeständigkeit jedem metallischen Werkstoff überlegen.

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung dargelegt. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 ein teilweise und im Schnitt dargestelltes Auslaßventil, vorbereitet für den Anbau eines Hitzeschildes nach der Erfindung,
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Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Hitzeschildes in Explosionsdarstellung nach der Erfindung, geeignet für eine Anbringung am Auslaßventil nach Fig. 1, 15

Fig. 3 den Hitzeschild von Fig. 2 in anbaufertigem Zustand,

Fig. 4 den Hitzeschild gemäß Fig. 3, angebaut am Auslaßventil gemäß Fig. 1,

Fig. 5 ein Auslaßventil mit Hitzeschild nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Variante zu der in Fig. 5 dargestellten Lösung,

Fig. 7 eine Variante in der Befestigungsart eines Hitzeschildes nach der Erfindung, 30

Fig. 8 eine Variante im Auflagebereich eines

Hitzeschildes nach der Erfindung am Ventilteller.

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In den Figuren sind glesiche oder einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen angezogen. Ein in den Figuren jeweils nur teilweise dargestelltes Auslaßventil für Brennkraftmaschinen besteht aus einen Ventilschaft 1, an dam vorne sich keglig erweiternd ein Ventilteller 2 anschließt. Am Ventilteller 2 ist ein Ventilsitz 3 aus Panzermaterial angeordnet. Der Ventilteller 2 weist einen Hitzeschild auf, der erfindungsgemäß eine runde Oxidkeramikplatte 4 umfaßt, welche mittelbar an der Stirnseite 5 des Ventiltellers 2 befestigt ist und einen Durchmesser aufweist, der etwa halb so groß wie jener des Ventiltellers 2 ist.

Die Oxidkeramikplatte 4 besitzt eine Dicke, die etwa im Bereich von 1/20 bis 1/30 des Ventiltellerdurchmessers liegt. Die Oxidkeramikplatte 4 ist eben ausgebildet und in eingebautem Zustand zum Brennraum hin schwach gewölbt.

In den Figuren sind verschiedene Befestigungsmöglichkeiten für die Oxidkeramikplatte 4 am Auslaßventil aufgezeigt. Die Oxidkeramikplatte 4 ist in allen beispielhaft dargestellten Fällen durch einen speziell gestalteten Tragring 6 aus einer hitze- und korrosionsbeständigen Metallegierung an der Stirnseite 5 des Ventiltellers 2 gehalten. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 5, 7 und 8 ist die Oxidkeramikplatte 4 in einer Vertiefung 7 eingesetzt und dort über den Tragring 6 gehalten. Die Oxidkeramikplatte 4 ist dabei mit ihrer brennraumabgewandten Fläche am Boden 8 der Vertiefung abgestützt und liegt mit ihrer brennraumzugewandten Fläche 9 in einer Ebene mit der Stirnfläche an der Stirnseite 5 des Ventiltellers 2. Die Oxidkeramikplatte 4 könnte jedoch auch geringfügig aus dem Ventilteller herausragen.

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Die Gestalt der Einformung 7 am Ventilteller 2 ist gut aus Fig. 1, die spezielle Gestaltung der Oxidkeramikplatte 4 und des Tragringes 6 dagegen gut aus Fig. 2 ersichtlich, in der die beiden Teile 4, 6 vor dem Zusammenbau dargestellt sind.

Die bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen gleich ausgebildete Oxidkeramikplatte 4 besteht aus drei Plattenteilbereichen, nämlich einem vorderen Teilbereich mit zylindrischer Außenfläche, ferner einem hinteren Teilbereich 12 mit ebenfalls zylindrischer Außenfläche, jedoch größerem Durchmesser, sowie einem mittleren Bereich 13„ dessen Außenfläche keglig ausgebildet ist. Die Neigung der kegligen Außenfläche des mittleren Bereiches 13 beträgt vorzugsweise 45° zur Plattenebene. Der Übersichtlichkeit halber sind die Bezugszeichen 11, 12 und 13 nur in den Fig. 2 und 8 eingetragen.

Für eine Aufnahme und Halterung dieser speziell ausgebildeten Oxidkeramikplatte 4 ist der Tragring entsprechend angepaßt. Er besitzt, wie gut aus Fig. 2 ersichtlich, eine durchmesserseitig an den vorderen zylindrischen Bereich 11 der Oxidkeramikplatte 4 angepaßte Durchgangsbohrung 14, an die sich eine nach hinten erweibernde Ansenkung 15 anschließt, deren Kegeiwinkel an jenen des mittleren Bereiches 13 der Oxidkeramikplatte 4 angepaßt ist.

In Fig. 3 ist die Oxidkeramikplatte 4 vereinigt mit dem Tragring 6 gezeigt. Die Oxidkeramikplatte 4 kann im Tragring 6 entweder nur formschlüssig gehaltert, d. h. lose in ihn eingelegt, oder aber auch kraftschlüssig befestigt, beispielsweise eingeschrumpft sein. Darüber hinaus bestehen aueh für die Befestigung der Oxidkeramikplatte 4 bzw. den Tragring 6 am Ventilteller 2 ver-

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schiedene Möglichkeiten. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 5 und 8 ist der die Oxidkeraraikplatte 4 umfassende Tragring 6 kraftschlüssig in der Vertiefung 7 gehaltert und dabei in letztere eingeschrumpft. Der die Oxidkeramikplatte 4 umfassende Tragring 6 kann jedoch alternativ - wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 - formschlüssig in die Vertiefung 7 an der Stirnseite 5 des Ventiltellers 2 eingesetzt und stoffschlüssig an letzterem befestigt, beispielsweise angeschweißt sein. Die ringsumlaufende Schweißnaht ist in Fig. 7 mit 16 bezeichnet. Eine weitere Variante für die Befestigung der Oxidkeramikplatte ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei ist der die Oxidkeramikplatte 4 umfassende Tragring 6 an einem ringförmigen Ventiltellerteil 17 ausgebildet, das zur Komplettierung des Ventiltellers 2 mit einem zweiten, sich unten am Ventilschaft 1 anschließenden Ventiltellerteil 18 vereinigt ist. Die Verbindung der beiden Ventiltellerteile 17 und 18 wiederum kann formschlüssig und kraftschlüssig oder form- und stoffschlüssig sein. Bei der in Fig. 6 dargestellten Verbindungsvariante sind die beiden Ventiltellerteile 17 und 18 lösbar über Gewinde 19 miteinander verschraubt und zur Verhinderung eines unerwünschten Lösens dieser Schraubverbindung gegeneinander durch Querstifte 20 gesichert. Anstelle über Gewinde 19 können die beiden Ventiltellerteile 17 und 18 auch über eine Schrumpfverbindung miteinander verbunden sein, wobei das den Tragring 6 für die Oxidkeramikplatte 4 umfassende Ventiltellerteil 17 auf das andere Ventiltellerteil 18 aufgeschrumpft und gegebenenfalls auch zusätzlich durch Querstifte 20 gegen axiales Lösen bzw. Verschieben gesichert wäre. Unabhängig von der jeweiligen Verbindungsart liegt die Oxidlcaramikplatte 4 bei diesem Ausführungsbeispiel an der stirnseitigen Fläche 21 des zweiten Ventiltellerteiles 18 an.

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Die Fläche 8 bzw. 21, an der die Oxidkeramikplatte 4 anliegt, ist schwach zum Brennraum hin gewölbt ausgebildet und folgt einem Krümmungsradius, der etwa um Faktor 30 bis 50 größer als der Ventiltellerdurchmesser ist. Die Fläche 8 bzw. 21 muß dabei nicht notwendigerweise durchgehend glatt, d. h. ununterbrochen sein, sondern kann wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 durch Einformungen, insbesondere konzentrische Ringnuten 22 hinterschnitten sein. Diese Ringnuten 22 bilden abgedeckt durch die Oxidkeramikplatte 4 luftgefüllte Isolationsräume 23, die für eine noch bessere Wärmedämmung sorgen.

Die Oxidkeramikplatte 4 ist vorzugsweise aus Zirkon-Oxidkeramik hergestellt und weist eine Wärmeleitzahl (W/mK) von A= 2,5 sowie einen Wärmekoeffizienten (m/mK) von(S =9,8 · 1O~ auf. Der Tragring 6 ist beispielsweise aus einer aushärtbaren austenitischen Nikkel-Basis-Legierung hergestellt, wie einer unter dem eingetragenen Warenzeichen "Nimonic" bekannten Legierung Nimonic 80 A, das eine Wärmeleitzahl (W/mK) von Λ= 11,2 sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (m/mK) von rf. = 15,0 * 1O~⁶ aufweist. Der Ventilteller ausgenommen die Ventilsitzpanzerung, ist aus einem hochlegierten Stahl, beispielsweise einem solchen mit der DIN-Bezeichnung X45CrSi9 hergestellt, welches Material eine Wärmeleitzahl (W/mK) von >- = 21 sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (m/mK) voncfc = 13 * 1O~⁶ besitzt.

Nachstehend ist anhand der Fig. 1 bis 5 die Anbringung eines Hitzeschildes nach der Erfindung näher erläutert.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Auslaßventil an der Stirnseite 5 seines Ventiltellers 1 durch Einfor-

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mung der Vertiefung 7 für die spätere Aufnahme des erfindungsgemäßen Hitzeschildes vorbereitet. Entsprechend werden, wie aus Fig. 2 ersichtlich, die Oxidkeramikplatte 4 sowie der diese aufnehmende Tragring 6 herstellungsseitig für den Zusammenbau vorbereitet. Anschließend wird die fertig bearbeitete Oxidkeramikplatte 4 in den Tragring 6 eingesetzt, vornehmlich eingeschrumpft. Die Oxidkeramikplatte 4 ist dann mittels ihres vorderen Teilbereiches 11 in der Durchgangsbohrung 14 des Tragringes 6 mit Kraftschluß gehalten; außerdem liegt die Oxidkeramikplatte 4 mit der kegligen Außenfläche ihres mittleren Bereiches 13 an der kegligen Ansenkung 15 des Tragringes 6 an. Dieser zusammengebaute Zustand ist in Fig. 3 gezeigt.

Danach folgt der in Fig. 4 gezeigte Herstellungsschritt, wobei das Auslaßventil erwärmt, dann der Hitzeschild in die Einformung 7 eingepreßt und eingeschrumpft wird. Von der brennraumzugewandten Fläche 9 der Oxidkeramikplatte 4 ausgehend wird anschließend der axial vorn überstehende Teil des Tragringes 6 spanabhebend abgenommen. Nach dieser Maßnahme besitzt das Auslaßventil eine Form wie in Fig. 5 gezeigt. Die Schrumpfverbindung zwischen Hitzeschild und Einformung 7 im Ventilteller 2 bleibt auch im betriebswarmen Zustand des Auslaßventiles gut erhalten, weil der Hitzeschild eine höhere Temperatur haben wird als der ihn umschließende Ventiltel— lerwerkstoff. Der größere Wärmeausdehnungskoeffizient des Tragringmateriales stellt außerdem einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor dar.

Es bleibt anzumerken, daß die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern sich im Rahmen der Erfindung auch noch weitere Ausgestaltungen und Befestigungsvarianten für einen Hitzeschild ergeben können.

Claims

PB 3145/1555 - 1 ftnsprüche:

1. Auslaßventil für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Ventilschaft, an dem vorne sich keglig erwei— ternd ein Ventilteller anschließt, der einen zumindest teilweise aus Keramik bestehenden Hitzeschild aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild eine runde Oxidkeramikplatte (4) umfaßt, die mittelbar an der Stirnseite (5) des Ventiltellers (2) oefestigt ist und einen Durchmesser aufweist, der etwa halb so groß wie jener des Ventiltellers (2) ist.

2. Auslaßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) eben ausgebildet ist.

3. Auslaßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) in eingebautem Zustand sch-vach zum Brennraum hin gewölbt ist.

4. Auslaßventil nach einem der vorhergehenden Ansprüehe, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) durch einen Tragring (6) aus einer hitze- und korrosionsbeständigen Metallegierung an der Stirnseite (5) des Ventiltellers (2) gehalten ist.

5. Auslaßventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) in einer Vertiefung (7) an der Stirnseite (5) des Ventilt^llers (2) eingesetzt ist.

6. Auslaßventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) mittels des Tragringes (6) in der Vertiefung (7} gehalten ist.

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7. Auslaßventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) mit ihrer brennraumzugewandten Fläche (9) in einer Ebene mit der Stirnfläche (10) des Ventiltellers (2) liegt und mit ihrer brennraumabgewandten Fläche am Boden (8) der Vertiefung (7) abgestützt ist.

8. Auslaßventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) aus drei Plattenbe eichen besteht, näm¹ich einem vorderen Teilbereich {11) mit zylindrischer Außenfläche, einem hinteren Teilbereich (12) mit ebenfalls zylindrischer, jedoch durchmessergrößerer Außenfläche, und einem mittleren Bereich (13), dessen Außenfläche keglig, mit einer Neigung von vorzugsweise 45° zur Plattenebene ausgebildet ist.

9. Auslaßventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (6) eine durchmesserseitig an den vorderen zylindrischen Teilbereich (11) der Oxidkeramikplatte (4) angepaßte Durchgangsbohrung (14) aufweist, die in eine sich nach hinten erweiternde Ansenkung (15) übergeht, deren Kegelwinkel an jenen des mittleren Teilbereiches (13) der Oxidkeramikplatte (4) angepaßt ist.

10. Auslaßvfcxitil nach einem oder mehreren der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) formschlüssig im Tragring (6) gehaltert ist.

11. Auslaßventil nach einem oder ntehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) kraftschlüssig im Tragring (6) befestigt ist.

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12. Auslaßventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) in dem Tragring (6) eingeschrumpft ist.

13. Auslaßventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (4) umfassende Tragring (6) kraftschlüssig in der Vertiefung (7) an der Stirnseite (5) des Ventiltellers (2) gehaltert ist. IO

14. Auslaßventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (4) umfassende Tragring (6) in die Vertiefung (7) eingeschrumpft ist.

15. Auslaßventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (4) umfassende Tragring (6) formschlüssig in die Vertiefung (7) an der Stirnseite

(5) des Ventiltellers (2) eingesetzt und stoffschlüssig an letzterem befestigt ist.

16. Auslaßventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (4) umfassende Tragring (6) am Ventilteller (2) angeschweißt ist.

17. Auslaßventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (4) umfassende Tragring (6) an einem ringförmigen Ventiltellerteil (17) ausgebildet ist, das zur Komplettierung des Ventiltellers (.2) mit einem zweiten, sich unten am Ventilschaft (1) anschließenden Ventilteller teil (18) vereinigt sowie formschlüssig und kraft- oder stoffschlüssig mit letzterem verbunden ist.

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18. Auslaßventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventiltellerteile (17, 18) lösbar über Gewinde (19) miteinander verschraubt sowie zur Verhinderung einer unerwünschten Lösung dieser Schraubverbindung gegeneinander durch Querstifte (20) gesichert sind.

19. Auslaßventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das den Tragring (6) für die Oxidkeramikplatte (4) umfassende Ventiltellerteil (17) auf das andere Ventiltellerteil (18) aufgeschrumpft und ge- I gebenenfalls an diesem zusätzlich durch Querstifte gegen axiales Lösen bzw. Verschieben gesichert ist.

20. Auslaßventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (8 bzw. 21) , an der die Oxidkerair.ikpla.tte (4) mit ihrer brennraumabgewandten Fläche anliegt, zum Brennraum hin schwach gewölbt ausgebildet ist und einem Krümmungsradius folgt, der etwa um Faktor 30 bis 50 größer als der Ventiltellerdurchmesser ist.

21. Auslaßventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (8 bzw. 21) an der Stirnseite (5) des Ventil tellers (2), an der die Oxidkeramikplatte (4) anliegt, durch Einformungen, insbesondere konzentrische Ringnuten (22) hinterschnitten ist, die abgedeckt durch die Oxidkeramikplatts (4) luftgefüllte Isolationsräume (23) bilden.

22. Auslaßventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Oxidkeramikplatte (4) aus Zirkonoxid herge- ® stellt ist und eine Wärmeleitzahl (w/mK) von

"^= 2,5 sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von (H =9,8 · 10~⁶ aufweist.
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23. Auslaßventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (4) eine Dicke aufweist, die etwa im Bereich von 1/20 bis 1/30 des Ventiltellerdurchmessers liegt.